Как свет и эпигенетика совместно регулируют рост растений
Исследовательская группа под руководством профессора Цао Сяофэна из Института генетики и биологии развития (IGDB) Китайской академии наук (CAS) раскрыла совместную роль фоторецепторов, эпигенетических модификаторов и факторов транскрипции в регуляции светочувствительных генов у растений.
Результаты опубликованы в PNAS.
Свет является не только основным источником энергии для фотосинтеза, но и важнейшим экологическим сигналом, определяющим различные процессы развития растений, включая прорастание семян, морфогенез проростков, расширение листьев, удлинение стебля, время цветения, циркадные ритмы и избегание тени.
Когда проросток появляется из почвы, световые сигналы быстро запускают фотоморфогенез — критический переход в развитии, характеризующийся подавлением удлинения гипокотиля, расширением и позеленением семядолей и инициацией фотосинтеза.
Для адаптации к динамичной световой среде растения развили сложные механизмы световой сигнализации. Эпигенетические модификации, в частности ковалентные модификации гистонов, играют ключевую роль в регуляции роста и ответа на окружающую среду.
Среди них триметилирование гистона H3 по лизину 27 (H3K27me3) является ключевой репрессивной меткой, поддерживающей молчание генов, и её динамическая регуляция важна для определения судьбы клеток и развития как у растений, так и у животных.
Команда профессора Цао ранее идентифицировала и охарактеризовала REF6/JMJ12 — деметилазу H3K27me3 у Arabidopsis, раскрыв механизм её нацеливания и роль в развитии растений и реакции на температуру окружающей среды.
В новом исследовании учёные использовали профилирование хроматина, транскриптомику, биохимические и генетические подходы для систематического изучения молекулярных механизмов, с помощью которых REF6 опосредует передачу сигнала красного света.
Фенотипический анализ показал, что мутанты с потерей функции REF6 демонстрировали значительно укороченные гипокотили на свету, в то время как мутанты других деметилаз H3K27me3 (JMJ11, JMJ13, JMJ30 и JMJ32) не показали значительных фенотипических изменений. Это указывает на доминирующую роль REF6 в фотоморфогенезе.
Дальнейшие исследования показали, что накопление белка REF6 и активность его H3K27 деметилазы значительно усиливались под действием красного света по сравнению с темнотой.
Активированный красным светом фитохром B (phyB-Pfr) физически взаимодействует с REF6, стабилизируя белок REF6 и усиливая его способность связываться с хроматином. Это взаимодействие способствовало экспрессии генов, связанных с удлинением клеток, в состояниях открытого хроматина.
Затем REF6 действует синергично с модулем phyB-PIF4 для точной регуляции роста гипокотиля при постоянном освещении, обеспечивая правильное развитие растения.
Интегрируя световую сигнализацию с эпигенетической регуляцией, это исследование расширяет многомерную регуляторную схему фотоморфогенеза. Оно подчёркивает, как фоторецепторы, эпигенетические факторы и факторы транскрипции совместно тонко настраивают рост гипокотиля в изменчивых световых условиях — сложная стратегия, критически важная для адаптации растений.